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Theoretical Quantum Optics WS22/23
Dozent: Prof. Dr. Walter Hofstetter
Allgemeine Information
- Die 1. Modulprüfung (schriftlich, d.h. Klausur) findet am Montag, den 20.02.2023 von 10:00 bis 11:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal _0.111 statt. Die 2. Modulprüfung (Nachprüfung, ebenfalls schriftlich) findet am Mittwoch, den 22.03.2023 von 10:00 bis 11:30 Uhr im großen Physik-Hörsaal _0.111 statt. Bitte beachten Sie, dass Sie sich für beide Modulprüfungen fristgerecht anmelden müssen.
- Am Montag, den 03.04.2023, findet die Klausureinsicht der 2. Modulprüfung von 10:00 bis 12:00 Uhr im Raum Phys __.102 statt.
- Am Montag, den 27.02.2023, findet die Klausureinsicht der 1. Modulprüfung von 10:00 bis 12:00 Uhr im Raum Phys __.102 statt.
- Die erste Vorlesung beginnt am 18.10.2022.
- Das erste Tutorium beginnt am 26.10.2022.
- Die Vorlesung und das Tutorium werden in englischer Sprache gehalten.
- Die Anmeldung für die Vorlesung und das Tutorium wird über OLAT erfolgen. Benachrichtigungen und Mitteilungen zur Vorlesung erhalten Sie über das Lernportal OLAT (olat-ce.server.uni-frankfurt.de ). Auch die Videoaufzeichnungen der Vorlesung können Sie auf OLAT ansehen. Loggen Sie sich bitte mit Ihrem HRZ-Account im OLAT ein und suchen Sie mit der Suchfunktion den Kurs "Theoretical Quantum Optics (WS 22/23)". Gehen Sie dort auf "Einschreibung" und schreiben Sie sich (ab 1.10.2022) für den Kurs ein.
- Pro Woche findet ein Tutorium statt. Zeit und Ort des Tutoriums finden Sie in der unten stehenden Tabelle.
- Das Skript der Vorlesung, sowie die Übungsblätter stellen wir online, auf der webpage unserer Vorlesung, im Abschnitt "Vorlesungsskript", zum download zur Verfügung. Hierfür wird ab der zweiten Vorlesungswoche eine Zugangsinformation benötigt, die wir Ihnen rechtzeitig zusenden werden, wenn Sie sich wie oben angegeben auf dem OLAT Lernportal für die Vorlesung angemeldet haben.
- Die Übungsblätter werden jeweils dienstags in der Vorlesung und online auf der webpage der Vorlesung zur Verfügung gestellt. Sie haben dann eine Woche Zeit, diese zu bearbeiten. Die Abgabe der Übungsblätter erfolgt jeweils dienstags bis spätestens 11:45 Uhr. Die Abgabe ist entweder während der Vorlesung (in einen der dort bereitgestellten Kästen) möglich, oder alternativ über die Lernplattform OLAT. Bei elektronischer Abgabe ist es Ihre Verantwortung, sicherzustellen, dass der Tutor Ihren Scan ohne Probleme lesen kann.
- Um einen Schein und die Zulassung zur Modulprüfung zu erhalten, werden mindestens 50% der regulären Gesamtpunkte (d.h. ohne Bonuspunkte) der Übungsaufgaben benötigt. Pro Übungsblatt gibt es 30 Punkte, sowie ggf. zusätzliche Bonuspunkte.
- Voraussetzung für den Erhalt der Credit Points (unbenotet) dieser Vorlesung ist die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen, d.h. der Erhalt des Scheins. Für den Erhalt von benoteten Credit Points ist zusätzlich eine Teilnahme an der Modulprüfung notwendig.
- Für allgemeine Informationen zum Kurs wenden Sie sich bitte an den Übungsgruppenkoordinator Dr. Youjiang Xu und für Fragen zu Übungen und Benotung an den Tutor Dr. Arijit Dutta.
Vorlesung
Termine | Raum |
---|---|
Di. 10:00 – 12:00 | Phys 01.114 |
Do. 10:00 – 12:00 | Phys 01.114 |
Tutorium
Termine | Raum | Tutor |
---|---|---|
Mi. 13:00 - 15:00 | Phys _ _.102 | Dr. Arijit Dutta |
Kurzbeschreibung
- Quantization of electromagnetic fields and properties of coherent states
- Squeezed states
- Phase space representation
- Wigner function
- Quantum mechanics of open systems
- Lindblad and Fokker-Plank equations
- Quantum Markov processes
- Decoherence and theory of measurement
- Quantum information with quantum optical systems
- Cavity QED
- Quantum theory of the laser
- Light forces
- Ultracold atomic gases
Vorlesungsskript
Vorlesung # | Datum | Thema | Skript (pdf) | Ergänzendes Material |
---|---|---|---|---|
1-2 | 18.10 | quantization of the electromagnetic field; thermal and coherent states | lecture 1-2 |
Physics Nobel Prize 2022:
popular science background,
scientific background, Entanglement-based quantum communication over 144 km Physics Nobel prize 2012: controlled quantum systems of atoms and light |
3-4 | 25.10 |
squeezed states, quantum phase |
lecture 3
lecture 4 |
|
5-6 | 01.11 | quantum phase (cont.), classical vs. quantum coherence |
lecture 5
lecture 6 |
Quantum phase measurement |
7-8 | 08.11 | quantum coherence (cont.), photon bunching, balanced homodyne detection |
lecture 7
lecture 8 |
Hanbury-Brown and Twiss experiment
Hong-Ou-Mandel interferometer; bunching of ultracold bosons photon antibunching |
9-10 | 15.11 | beam splitter, Mach-Zehnder interferometer, representations of the electromagnetic field: P-function |
lecture 9
lecture 10 |
quantum limits in interferometry |
11-12 | 22.11 | representations of the electromagnetic field (cont.): P-, Q- and Wigner function |
lecture 11
lecture 12 |
measurement of Wigner function;
experiment 1; experiment 2 |
13-14 | 29.11 | atom driven by classical and quantum field, spontaneous and stimulated emission |
lecture 13
lecture 14 |
|
15-16 | 06.12 | Rabi- and Jaynes-Cummings-model, vacuum Rabi oscillations |
lecture 15
lecture 16 |
Vacuum Rabi Oscillations in a Macroscopic Superconducting Qubit |
17-18 | 13.12 | collapse and revival, dressed states, entanglement |
lecture 17
lecture 18 |
collapse and revival in microwave cavity QED |
19-20 | 20.12 | von Neumann entropy, open quantum systems, generalized measurement, Kraus representation |
lecture 19
lecture 20 |
collapse and revival in ultracold bosons |
21-22 | 10.01 | quantum noise for a Qbit, optical Bloch equations |
lecture 21
lecture 22 |
|
23-24 | 17.01 | dissipative light force, Lindblad master equation |
lecture 23
lecture 24 |
|
25-26 | 24.01 | damped harmonic oscillator, microscopic derivation of the master eq. |
lecture 25
lecture 26 |
|
27-28 | 31.01 | dissipative 2-state system (spin-boson model), quantum Brownian motion and decoherence |
lecture 27
lecture 28 |
|
29-30 | 07.02 | quantum Brownian motion and decoherence (cont.), trapped ion quantum computer |
lecture 29
lecture 30 |
review article on trapped ion quantum computers |
Übungsblätter
Blatt # | Abgabe | Thema | Aufgaben (pdf) |
---|---|---|---|
1 | 25.10 |
Interaction picture, displacement operator and coherent states |
Blatt 1
Musterlösung 1 |
2 | 01.11 |
quadrature operators and squeezed states |
Blatt 2
Musterlösung 2 |
3 | 08.11 |
phase distribution function and Casimir effect |
Blatt 3
Musterlösung 3 |
4 | 15.11 |
Poynting vector and Young's Interference |
Blatt 4
Musterlösung 4 |
5 | 22.11 | Interpolating the number state and the thermal state, Hanbury Brown and Twiss experiment |
Blatt 5
Musterlösung 5 |
6 | 29.11 | beam splitter and P-representation |
Blatt 6
Musterlösung 6 |
7 | 06.12 | Nonclassicality of the single-photon-added coherent state, Wigner function, Quantum state tomography from homodyne detection |
Blatt 7
Musterlösung 7 |
8 | 13.12 | Rabi model and quantum Zeno effect, Effective two-level model |
Blatt 8
Musterlösung 8 |
9 | 20.12 | Cavity QED in a superconducting electrical circuit, Collapse and revival for a mixed initial state |
Blatt 9
Musterlösung 9 |
10 | 10.01 | Schrödinger's cat state from the Jaynes-Cummings model, Subadditivity of the von Neumann entropy |
Blatt 10
Musterlösung 10 |
11 | 17.01 | Create entanglement by measurement, Decoherence by phase damping with non-orthogonal states |
Blatt 11
Musterlösung 11 |
12 | 24.01 | Side bands in resonance fluorescence |
Blatt 12
Musterlösung 12 |
12 | 31.01 | Decoherence of a superposition of coherent states | Blatt 13 |
Literatur
Autor | Titel | Verlag |
---|---|---|
M. Scully and M. Zubairy | Quantum Optics | Cambridge, 1997 |
R. Loudon | The Quantum Theory of light | Oxford, 2000 |
S. Haroche and J.-M. Raimond | Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons | Oxford, 2006 |
D.F. Walls and G.J. Milburn | Quantum Optics | Springer, 2007 |
G. Agarwal | Quantum Optics | Cambridge University Press, 2013 |
C. Gardiner and P. Zoller | The Quantum World of Ultra-Cold Atoms and Light (Book I and II) | Imperial College Press, 2014 and 2015 |
C.W. Gardiner and P. Zoller | Quantum Noise | Springer, 2004 |